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1、-化工设备机械基础复习及答案-第 9 页化工设备机械基础复习题一、填空题 1、强度是指构件抵抗破坏的能力。 2、刚度是指构件抵抗变形的能力。 3、稳定性是指构件保持原有平衡状态的能力。 4、如物体相对于地球静止或作匀速运动，则称物体处于平衡状态。 5、物体受外力作用变形时，其内部各部分之间因相对位置改变而引的相互作力称为内力6、脆性材料的安全系数一般取得比塑性材料要大一些。 7、在轴向拉伸或压缩时，杆件不但有纵向变形，同时横向也发生变形。 8、扭转是杆件的又种变形方式。 9、=Gr称为剪切虎克定律。 10、弯曲是工程实际中最常见的一种基本变形形式。 11、简支梁是梁的一端为固定铰支座，另一端为
2、可动。 12、外伸梁是简支梁的一端或两端伸出支座之外。 13、悬臂梁是梁的一端固定，另一端自由。 14、最大拉应力理论又称第一强度理论。 15、最大伸长线应变理论又称第二强度理论。 16、最大剪应力理论又称第三强度理论。 17、形状改变比能理论，又称第四强度理论。 18、构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为交变应力。 19、硬度是用来衡量固体材料软硬程度的力学性能指标。 20、裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。 21、化工设备的密封性是一个十分重要的问题。 22、化工设备的耐久性是根据所要求的使用年限来决定。 23、发生边缘弯曲的原因是由于薄膜变形不连续。 24、当q/b=2时
3、为标准型椭圆形封头。 25、圆柱壳体的环向应力为=PD/2 26、球形壳体的环向应力为=PD/4 27、d是圆筒的设计厚度。 28、是圆筒的计算厚度。 29、有效厚度e=+ 30、凸形封头包括半球形封头椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头四种。 31、碟形封头由以Ri为半径的球面，以r为半径的过度弧高度为h0的直边三部分组成。 32、锥形封头在同样条件下与凸形封头比较，其受力情况较差。 33、球冠形封头在多数情况下用作容器中两独立受压室的中间封头。 34、刚性圆筒，由于它的厚径比e/D0较大，而长径比L/D0较小，所以一般不存在因失稳破坏的问题。 35、加强圈应有足够的刚性，通常采用扁钢、角钢、工
4、字钢或其它型钢组成。 36、卧式容器的支座有鞍座圈座和支腿三种。37、立式容器有耳式支座、支承式支座腿式支座和裙式支座四种。38、法兰按其整体性程度可分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰三种。 39、国家标准中的手孔的公称直径有DN150和DN250两种。 40、平带一般由数层帆布粘合而成并用接头连接成环形带。 41、V带的横截面为等腰梯形，其工作面是与轮槽相接触的两侧面。二、问答题1、构件在外力作用下，安全可靠地进行工作应满足哪些力学条件？ 答：（1）强度条件； （2）刚度条件； （3）稳定性条件2、常见典型平面约束有几种？ 答：（1）柔索约束，如绳子、链条、皮带、钢丝等 （2）理想光滑面约束
5、 （3）圆柱铰链约束3、材料力学对变形固体作了哪些假设？ 答：（1）连续性假设 （2）均匀性假设 （3）各向同性假设4、提高梁弯曲强度和刚度的措施？ 答：（1）合理安排梁的受力情况 （2）选择合理的截面形状5、引构件产生交变应力的原因有哪些？ 答：（1）载荷作周期性变化 （2）载荷不变化，但构件作某些周期性运动6、提高构件疲劳强度的措施？ 答：（1）减缓应力的集中 （2）降低表面粗糙度 （3）增加表面强度7、化工容器零部件标准化的意义是什么？ 答：标准化是组织现代化生产的重要手段，实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争力，实现标准化，可以增加零部件
6、的互换性，有利于设计、制造、安装和维修，提高劳动生产率。标准化为组织专业生产提供了有利条件。有利于合理利用国家资源，节省材料等。标准化的基本参数公称直径、公称压力。8、从容器的安全、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪些基本要求？ 答（1）强度 （2）刚度 （3）稳定性 （4）耐久性 （5）密封性 （6）节省材料和便于制造 （7）方便操作和便于运输：9、轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围？ 答：（1）回转壳体曲面在几何上是轴对称的壳体厚度无实变。曲率半径连续变化的、材料均匀、连续且各向同性。 （2）载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的没有突变情况 （3）壳体边界应该是自由。 （4）壳体在
7、边界上无横向剪力和弯矩。10、压力试验的种类？ 答：（1）液压试验 （2）气压试验 （3）气密试验 11、在简体与锥形封头连接时，可采用哪两种方法来降低连接处的边缘应力？ 答：（1）使联接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强的方法 （2）在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体过渡弧及高度为h0的 直边三部分组成。12、影响外压容器临界压力的因素有哪些？ 答：（1）筒体的几何尺寸的影响 （2）筒体材料性能的影响 （3）筒体椭圆度和材料不均匀的影响13、为安全，可拆连接、法兰必须满足哪些基本要求？ 答：（1）有足够的刚度 （2）有足够的强度 （3）能耐腐蚀 （4）成本廉价14、带传
8、动的优缺点？ 答：优点 （1）适用于两轴中心距较大的传动（2）带具有良好的弹性，可以缓和冲击和吸收振动（3）过载时，带在轮上打滑，可防止其他零件损坏（4）结构简单，加工和维护方便，成本低廉 缺点 （1）传动的外廓尺寸较大 （2）不能保证固定不变的传动比 （3）带的寿命短 （4）传动效率较低等15、轮齿失效有哪几种形式？ 答：（1）轮齿的折断 （2）齿面的点蚀 （3）齿面磨损 （4）齿面胶合 （5）齿面 塑性变形16、滚动轴承的主要失效形式是什么？ 答：在正常使用情况下，只要选择，安装，润滑，维护等方面都考虑周到。绝大多数轴承因滚道或滚动表面疲劳点蚀而失效。当轴承不回转，缓慢摆动或低速转动时，一
9、般不会产生疲劳损坏。但在很大的静载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限，出现表面塑性变形不能正常工作。此外，由于使用维护和保养不当或密封润滑不良等因素，也能引起轴承长期磨损、胶合等不正常失效现象。三、计算题1、用三轴钻床在水平工件上钻孔时，每个钻头对工件施加一个力偶（如图）。已知三个力偶的矩分别为：M1=1kNm；M2=1.4kNm；M3=1kNm，固定工件的两螺栓A和B与工件成光滑面接触，两螺栓的距离l=0.2m，求两螺栓受到的横向力。 解：据M=Fd M=M1+M2+M3=1+1.4+2=4.4kNm F=M/d=4.4/0.2=22kN 答：两螺栓受到的横向力
10、为22kN2、如图所示，有一管道支架ABC。A、B、C处均为理想的圆柱形铰链约束。以知该支架承受的两管道的重量均为G=4.5kN，图中尺寸均为mm。试求管架中梁AB和BC所受的力。解：梁AB的受力图 FyFx FN1 FN2 A B FB Fx=0 Fx+FBcos45=0Fy=0 Fy1FN1FN2FBcos45=0MA=0 Fy10FN10.4FN21.12FBcos451.12=0FB=9.67kN Fx=6.84 Fy=2.16杆BC的受力图FB FAFC=FB=FB=9.673如图（a）表示齿轮用平键与轴连接，已知轴直径d=70mm ，键的尺寸为hl=20mm12mm100mm，传递
11、的扭转的扭转力偶矩M=2kNm，键的许用切应力=60MPa，p=100MPa，试校核键的强度。 先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一整体来考虑（图b），对轴心取矩，由平衡方程M0=0，得 FS(d/2)=M, FS=2M/d=57.14(kN)剪切面面积为A=l=20100=2000mm2，有 =FS/A=57.14103/2000106=28.6(MPa)可见平键满足剪切强度条件。 其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡（图c），则挤压力F=FS=57.14kN，挤压面面积AP=hl/2，有 p=F/Ap=57.14103/61001
12、06=95.3(MPa)p故平键也满足挤压强度条件。4、如图所示结构中梁AB的变形及重量可忽略不计。杆1为钢制圆杆，直径d1=20mm,E1=200;杆2为铜制圆杆，直径d2=25mm,E2=100GPa。试问：（1）载荷F加在何处，才能使梁AB受力后仍保持水平？（2）若此时F=30kN，求两拉杆内横截面上的正应力。杆1的拉力F1 杆2的拉力F2F1=E1/4d2=200GPa/4（20）2=6.28107NF2=E2/4d2=100GPa/4（25）2=4.91107NMA=0 Fx+F22=0MC=0 F(2x)+F12=0Fx=11.19107N x=0.88(2) 当F=30kN时 M
13、A=0 F0.88+F22=0MB=0 F(2x)+F12=0F1=1.68104N F2=1.32104N对杆1 1=F1/(/4d12)=1.68104/(/420210-6)=53.5MPa对杆2 2=F2/(/4d22)=1.32104/(/425210-6)=26.9MPa杆1的正应力为53.5MPa杆2的正应力为26.9MPa5、以圆轴以300r/min的转速传递331kW的功率。如=40MPa，=0.5/m，G=80GPa，求轴的直径。解： 由强度条件设计轴的直径 max=T/wt=16T/d3 T=9550p/n=9550331300=10.536kNm d(16T/)1/2=
14、1610536/(40106)=11.03(cm) 由钢度条件设计轴的直径 Dmax=T/GIp180/=32T/Gd4180/ d（32T/G180/）1/2=3210536180/（801090.5）1/2=11.13(cm) 取d11.13cm6、一外伸梁受均布载荷和集中力偶作用，如图所示（见答案），试作此梁的剪力图和弯矩图。解：（1）求支反力 取全梁为研究对象，由平衡方程 MA=0 qa2/2+Me+FRB2a=0 FRB=qa/4Me/2a=201/420/21=15（kN） 负号表示FRB实际方向与假设方向相反，即向下。 Fy=0 ， FRA+ FRBqa=0 FRA=qaFRB=
15、201（15）=35（kN）（2）作剪力图 根据外力情况，将梁分为三段，自左至右。CA段有均布载荷，剪力图为斜直线。AD和DB段为同一条水平线（集中力偶作用处剪力图无变化）。A截面左邻的剪力FSA左=20kN，其右邻的剪力FSA右=15kN，C截面上剪力FSC=0，可得剪力图如图（b）。由图可见，在A截面左邻横截面上剪力得绝对值最大，|FS|max=20kN(3)作弯矩图CA段右向下的均布载荷，弯矩图为二次抛物线；在C处截面的剪力FSC=0，故抛物线在C截面处取极值，又因为MC=0，故抛物线在C处应与横坐标轴相切。AD、DB两段为斜直线；在A截面处因有集中力FRA，弯矩图有一折角；在D处有集中
16、力偶，弯矩图有突变，突变值即为该处集中力偶的力偶矩。计算出MA=qa2/2=10（kNm） MD左=Me+FRBa=20151=5(kNm) MD右=FRBa=151=15(kNm)，MB=0,根据这些数值,可作出弯矩图如图(C).由图可见,D截面右邻弯矩的绝对值最大,|M|max=15(kNm)。7、钢轴如图所示，已知E=80GPa，左端轮上受力F=20kN。若规定支座A处截面的许用转角，=0.5，试选定此轴的直径。解：FA=FB=qL/2=9.82=19.6(kN) M(x)=qLx/2qx2/2 (0xL) Mmax=qL2/8=9.842/8=19.6(kNm) WE Mmax/=19
17、.6103/100106=196(cm3) 选用20a工字钢 Ib=2370cm4=23.7106 梁得许用强度为y=L/1000=4000/1000=4(mm) 而最大强度在在梁跨中心其值为Vmax=5qL4/384EI=59.810344/38420610923.7106=6.7103y 此型号得工字钢不满足刚度条件 要满足刚度条件 | V|max=5qL4/384EIE=59.810344/384206109IEy IE3964cm4 应选用25a号工字钢满足钢度条件。8、如图所示（见答案）为一能旋转的悬臂式吊车梁，有28号工字钢做的横梁AB及拉杆BC组成。在横梁AB的中点D有一个集中载
18、荷F=25kN，已知材料的许用应力=100MPa，试校核横梁AB的强度。9、如图所示钻床，若F=15kN，材料许用拉应力t=35MPa，试计算圆立柱所需直径d。解：（1）内力计算 由截面法可得力柱 m-m 横截面上的内力为： FN=F=15kN ，M=Fe=150.4=6(kNm) （2）按弯曲强度条件初选直径d 若直接用式（max，min）=FN/AMmax/W求解直径d，会遇到三次方程的求解问题，使求解较为困难。一般来说，可先弯曲正应力强度条件进行截面设计，然后带回式进行强度校核。由 max=M/W W =d3/32M/ 有 d(32M/)1/3=(326103/35106)1/3=120
19、.4103(m)取 d=121mm （3）按偏心拉伸校核强度由式（max，min）=FN/AMmax/W max=FN/A+M/W=15103/（/4）1212106+6103/（/32）1213109 =35.8(MPa)t 最大拉应力超过许用拉应力2.3%，但不到5%，在工程规定的许可范围内，故可用。所以取圆立柱直径d=121mm 10、某球形内薄壁容器的最大允许工作压力Di=10m，厚度为n=22mm,若令焊接接头系数=1.0，厚度附加量为C=2mm，试计算该球形容器的最大允许工作压力。已知钢材的许用应力t=147MPa. 解：取工作压力等于设计工作压力 P=PC e=nC=222=20
20、 P= 2et/Di=2201471/10103=0.588(MPa)11、乙烯储槽，内径1600mm，厚度为n=16mm，设计压力p=2.5MPa，工作温度t=35C，材料为16MnR，双面对接焊，局部探伤，厚度附加量C=1.5mm，试校核强度。 解：t=170MPa 取e=nC=161.5=14.5mm =1 =PD/2e =2.51600/214.51 =138（MPa）170MPa 故该设备强度足够12、某化工厂反应釜，内径为1600mm，工作温度为5105C，工作压力为1.6MPa，釜体材料选用0Gr18Ni10Ti。焊接采用对接焊，局部无损探伤，椭圆封头上装有安全阀，试设计筒体和封
21、头的厚度。 解：PC=1.6MPa Di=1600mm t=137MPa =0.8 对于圆筒=PCDi/2 2PC =1.61200/21370.81.6=8.79mm C=C1+C2=0.8+1.0=1.8 n=+C=8.79+1.8=10.59 圆整n=12mm 封头=PCDi/2 20.5PC=1.61200/21370.51.6=8.76mm 封头应与筒体同样的厚度圆整n封=n筒=12mm 13、今欲设计一台内径为1200mm的圆筒形容器。工作温度为10C，最高工作压力为1.6MPa。筒体采用双面对焊接，局部探伤。端盖为标准椭圆形封头，采用整板冲压成形，容器装有安全阀，材质为Q235-
22、B。已知其常温s=235MPa,b=370MPa，ns=1.6，nb=3.0。容器为单面腐蚀，腐蚀速度为0.2mm/a。设计使用年限为10年，试设计该容器筒体及封头厚度。 解：材料为Q235-B s=235MPa b=370MPa C2=1mm t=113MPa P=PC=1.6MPa =0.8 C1=0.8mm 钢板的厚度 n= PCDi/2 tPC=1.61200/21130.81.6=10.7mm n=+C1+C2=12.5mm 圆整n=14mm 封头n=PCDi/2t0.5PC=1.61200/21130.80.51.6=10.67mm 封头应取筒体相同的直径 n封=n筒=14mm 1
23、4、已知V带传动的功率P=5.5kW，小带轮基准直径D1=125mm，转速n1=1400r/min，求传动时带内的有效拉力Fe。 解：Fe=1000P/V V1=D1n1/601000=3.141251440/601000=9.42m/sFe=10005.5/9.42=583.8N15、已知一V带传动，小带轮基准直径D1=140mm，大带轮基准直径D2=355mm，小带轮转速n1=1400r/min，滑动率=0.02，试求由于弹性滑动在5min内引起的大带轮转数的损失。 解：有滑动时传动比 i=n1/n2=D2/D1(1)=355/140(10.02)=2.587 n2=n1/i=556转/分
24、 没有滑动时n2 n2=n1D1/D2=568转/分5分钢损失的转数=(568556)5=60转16、已知一正常齿制标准直齿圆柱齿轮=20，m=5mm，z=50，试分别求出分度圆、基圆、齿顶圆上渐开线齿廓的曲率半径和压力角。 解：D分=mz=550=250mm D顶=m(z2)=552=260mm D基=D根cos=m(z2.5)cos20=5(502.5)cos20=213.75mm17、有一标准阿基米德蜗杆传动，已知其模数m=5mm，d1=50mm，蜗杆头数z1=1，蜗轮齿数z2=30，试计算主要几何尺寸。 解： 齿距 p=px1=pt2=m=5=15.708(mm) 齿顶高 ha=m=5
25、(mm) 齿根高 hf=1.2m=1.25=6(mm)齿高 h=hahf=56=11(mm)蜗杆分度圆直径 d1=50(mm) （已知）蜗杆齿顶圆直径 da1=d12ha=5025=60(mm)蜗杆齿根圆直径 df1=d12hf=5026=38(mm)蜗杆导程角 =arctan(mz1/d1)=arctan(51/50)=54238蜗杆螺旋部分长度 b1(110.06z2)m=(11+0.0630)5=64(mm)蜗轮分度圆直径 d2=mz2=530=150(mm)蜗轮喉圆直径 da2=d22ha=15025=160(mm)蜗轮外圆直径 de2da22m=16025=170(mm)中心距 a=
26、d1+d2/2=(50+150)/2=100(mm)蜗轮咽喉母圆半径 rg2=ada2/2=100160/2=20(mm)蜗轮螺旋角 =54238，与蜗杆螺旋方向相同蜗轮齿宽 b2=0.75da1=0.7560=45(mm)18、已知一起重机卷筒的滑轮轴承所承受的最大径向载荷F=50000N，卷筒转速n=12r/min，轴颈直径d=80mm，试按非液体摩擦状态设计此轴承。 解： （1）取长径比 B/d=1.1，则轴承宽度B： B=1.1d=88(mm) （2）计算比压p: P=F/(Bd)=50000/(8880)=7.1(MPa) （3）计算pv值: Pv=Fn/(19100B)=50000
27、12/(1910088)=0.357(Pam/s) 据p和pv值查表18-5，选ZCuSn10Pb1 作为轴瓦材料，其p=15MPa，pv=15MPam/s，足够安全 （4）计算轴承平均载荷因数K，选择润滑装置 K=(pv3)1/3=(7.10.3573)1/3=0.576 按表18-2选润滑脂，牌号为2号钙基润滑脂，由表18-4选旋盖油杯润滑装置。19、如图所示，A、B、C点表示三个受外力的钢制圆筒，材质为碳素钢，S=216MPa，E=206GPa。试回答（1）A、B、C三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n等于（或大于几）？（2）当圆筒改为铝合金制造时（S=108MPa，E=68.7GPa），它的许用外压有何变化？变化的幅度大概是多少？（用比值pa/ps=?表示）。A D0eC B=p(D0/e) B解：（1）由图可知，A点L/D0较大，A为长圆筒，失稳数n=2 对于B点，L/D0较小，故B为刚体圆筒 对于C点，圆筒不仅与L/D0有关，还与D0/e有关。 故C筒为短圆筒，失稳数n2 （2）对于A、B、C三种圆筒改用铝合金时，其L、D0、e均不发生改变。只有E改变，E减小，因为许用外压减小。